郝 彬,刘 伟,汪泽成,徐安娜,姜 华,黄士鹏
(中国石油 勘探开发研究院,北京100083)
混合沉积作为一种沉积机理特殊而又有重要意义的沉积现象,广泛出现在显生宙不同地质时期的陆、海、浅水、深水等不同沉积环境中[1,2],主要是指硅质碎屑与碳酸盐的混合沉积[1]。混合沉积又有狭义和广义之分,狭义的是指陆源碎屑与碳酸盐的混合(在同一岩层内),即混合沉积的典型产物——混积岩;而广义的混合沉积则包括了狭义的混合沉积和陆源碎屑与碳酸盐交互沉积,两者可以交替互层、夹层及横向相变[3]。郭福生等将这些互层和夹层的组合命名为“混积层系”[4]。由于混合沉积特殊的沉积机理,对于其研究一方面有助于了解沉积环境的构造运动、海(湖)平面变化、沉积动力学、沉积速率、古气候、物源及其间的关系,另一方面该类沉积组合中往往具有良好的油气生、储、盖组合,对于寻找新的油气勘探区具有重要意义,因此,近些年来受到了越来越多的关注[5-10]。在四川地区,下古生界不仅有陆源碎屑沉积,而且还有海相碳酸盐沉积,二者岩性多不纯,混合沉积发育。其中下奥陶统作为混合沉积最为发育的层段之一,是研究混合沉积的理想层系。目前,尽管前人对上扬子地区混合沉积已进行了一些探讨,并提出了2种混积相[11],但对其成因机制以及控制因素未有深入的讨论。因此,深入了解四川盆地下奥陶统的混合沉积特征、混合沉积环境以及控制因素,不仅为混合沉积研究领域提供新的资料,同时可以为类似地区、层系的研究提供有价值的参考。
四川盆地的大地构造位置,处于扬子准地台上偏西北一侧,属于扬子准地台的一个Ⅰ级构造单元,囊括了四川省中东部和重庆市大部(图1)。盆地轮廓呈菱形,西北和东南两边稍长,东北和西南两边稍短,面积约为0.18×106km2。盆地内分为6个Ⅱ级构造单元,从西向东分别为川西拗陷带、川北低平褶皱带、川中平缓褶皱带、川西南低陡褶皱带、川东高陡褶皱带和川南低陡褶皱带。
早奥陶世时,上扬子地区发育了范围广阔的碳酸盐岩镶边台地,而西部的康滇古陆在早加里东期大面积隆升,造成早奥陶世混合沉积的发育。下奥陶统自下而上分为桐梓组、红花园组以及湄潭组下部。而湄潭组下部主要以大套的泥页岩为主,混合沉积并不发育,因此,本文所指的下奥陶统混合沉积研究主要是针对桐梓组与红花园组。
桐梓组主要分布于川北旺苍、黔北、黔南、川南及川东等地,可分为3段:上段及下段主要为页岩、粉砂岩和砂岩,夹薄层灰岩及生物碎屑灰岩;中段主要为中厚层白云岩和生物碎屑灰岩,夹页岩。与下伏洗象池群呈平行不整合接触,厚度由西向东变厚。
图1 四川盆地构造纲要图Fig.1 The structural outline map of Sichuan Basin
红花园组主要为灰色至深灰色中厚层至块状生物碎屑灰岩、砂屑灰岩、泥晶灰岩,常夹一些泥页岩及粉砂岩,厚度为10~80m,横向变化较大。
研究区中,桐梓组与红花园组主要以碳酸盐岩为主,次为陆源碎屑岩,两者岩性多不纯。
砂砾岩主要分布在川西南、川中地区。砂砾岩类包括砂岩、含砾砂岩(图2-A)、白云质砂岩、白云质粉砂岩。碎屑成分主要以石英为主,长石、岩屑次之;颗粒分选性从较好到差,呈次棱角状—次圆状,以钙质胶结为主。
泥页岩在研究区广泛发育,颜色主要以紫红色、灰绿色、黑色为主。部分泥页岩因含碳酸盐较多,而成为灰(云)质泥岩(图2-C)。多发育水平层理、块状层理。
碳酸盐岩在研究区同样分布广泛,颜色以灰色、灰绿色、灰黄色、褐色为主。主要岩石类型包括灰岩、白云岩、泥质灰岩、泥质白云岩(图2-D)、砂质白云岩(图2-E)、鲕粒灰岩、砂屑灰岩等,局部地区可见角砾状灰岩(图2-G)。
前人对于混积岩的分类和命名做过很多工作,最早是由 Mount提出的砂(陆源碎屑)、异化粒、灰泥和泥质黏土四端元立体图分类法[1]。随后,杨朝青等提出的黏土、陆源碎屑、碳酸盐三端元分类法,将碳酸盐质量分数>25%、陆源碎屑质量分数>10%的混合沉积归为混积岩[12]。张雄华同样采用了黏土、陆源碎屑、碳酸盐的三端元图,但认为除了将黏土质量分数>50%的部分称为黏土岩之外,应将碳酸盐质量分数为5%~95%、陆源碎屑质量分数为5%~95%的混合沉积称为混积岩[13]。梁宏斌等则认为狭义的混积岩指的是碳酸盐岩中含10%~50%的陆源碎屑(或碎屑岩中含10%~50%的碳酸盐)[14]。不难看出,上述分类方案存在的分歧主要是对混积岩中组分含量的界定以及几个端元的选择。沙庆安认为沉积物确为陆源碎屑与碳酸盐的混合,而不是成岩作用或以后的假混合,就可以称为混积岩,也不一定非要对具体的含量给予界定[3]。笔者也认为分类方案应该简单且便于实用,梁宏斌等提出的方案[14]便清晰明了,但10%的下限却可以适当放宽或取消,因为次要组分含量虽然很少,但反映了陆源碎屑和碳酸盐的混合,有别于纯净的陆源碎屑岩和碳酸盐岩,具有重要的意义。本文在此分类原则的基础之上,通过钻井资料、岩心、露头剖面的观察,认为研究区混合沉积主要有2种类型:混积岩、混积层系。
图2 四川盆地下奥陶统混积岩特征Fig.2 The characteristics of the mixed-sedimentary rocks from Lower Ordovician in Sichuan Basin
混合沉积的典型产物就是混积岩。研究区内混积岩类型多样,如砂质灰岩、砂质云岩、泥质灰岩、泥质云岩、云质泥岩和白云质砂岩等(表1、表2)。桐梓组沉积期,该类沉积多发育于川西南、川中地区,且越向东北、东南方向,其在地层中占的比例越低,至川东、川南的东南部,仅有零星分布,且在地层中占的比例微乎其微(图1、表1、表2)。红花园组沉积期,该类沉积分布范围变小,主要发育在川西南地区西部,其他地区不发育。
混积层系在研究区内也非常发育,垂上主要表现为陆源碎屑岩、混积岩、碳酸盐岩的交替出现或呈夹层出现。受离物源区的远近、物源供应的多少的影响,不同的相带,会出现不同的混积层系。川西南地区离康滇古陆较近,桐梓组沉积期,大部分处于混合潮坪环境,混合沉积特征主要以砂岩、泥岩与砂质白云岩、泥质白云岩互层或夹层的形式出现,仅在潮下带会出现一些纯的粉晶白云岩、鲕状白云岩。红花园组沉积期,物源供应量减弱,相对于两河口期,以陆源碎屑岩-混积岩为主的混积层系分布范围向北缩小,宫深1井区出现了35m厚的砂屑灰岩、鲕粒灰岩。
川中、川南的北部和川东的西部距物源稍远,桐梓组沉积期,大部分地区处于混合局限台地中,混合沉积特征垂向上分异明显,下部主要以灰岩、白云岩与泥页岩的互层为特征;中部往往砂质含量开始增多,混合沉积特征以砂岩、粉砂岩、泥岩与砂质白云岩、泥质白云岩互层或夹层的形式出现;上部则主要以白云岩、灰岩与泥页岩互层为特征,含少量的砂岩、粉砂质白云岩和泥质白云岩。红花园组沉积期,沉积环境演化为开阔台地,混积层系主要包括两类,与沉积亚相有关。台内滩亚相以砂屑灰岩或鲕粒灰岩夹黑色页岩为特征,而滩间海亚相则为泥晶白云岩与黑色泥页岩的互层沉积。
表1 四川盆地桐梓组主要岩石类型Table 1 The distribution and percentage of the main rock types from Tongzi Formation in Sichuan Basin
表2 四川盆地红花园组主要岩石类型Table 2 The distribution and percentage of the main rock types from Honghuayuan Formation in Sichuan Basin
川南的南部、川东的中东部离西部的康滇古陆距离更远,几乎没有砂质颗粒的带入。桐梓组下部、上部主要以泥晶灰岩、细晶灰岩与泥页岩的互层沉积或砂屑灰岩、鲕粒灰岩夹泥页岩为特征,中部为细晶白云岩、泥晶白云岩、灰质白云岩夹一些薄层状泥页岩、泥质白云岩。而红花园组则以砂屑灰岩、鲕粒灰岩、细晶灰岩为主,夹少量的泥页岩。
由于混合沉积本身的复杂性,目前对于混合机理的类型划分同样存在着不同的认识。最早是由Mount提出了浅海环境下的4类混合沉积机理[1]:间断混合(punctuated mixing)、相混合(facies mixing)、原地混合(insitu mixing)、母源混合(source mixing)。并且此划分方案在过去的研究中得到了广泛的应用[9,15,16]。尽管如此,从目前看来稍有不妥。李祥辉认为,混合沉积作用并不一定要限定于浅海环境,而是可以发生在CCD面之上的深海环境,并且相混合、源区混合更可能发生在斜坡和深海扇环境,间断混合与原地混合同样可以发生在深海,只是概率没有浅海高而已[17]。随后,张雄华将混积岩和混积层系成因归纳为5种类型[1]:事件突变沉积混合、相缘渐变沉积混合、原地沉积混合、侵蚀再沉积混合和岩溶穿插沉积混合。董桂玉提出的方案则是根据混合沉积的定义、成因、成分、结构、沉积构造及接触关系等因素,按照“沉积事件+剖面结构”的原则,将混合沉积的类型归纳为渐变式混合沉积、突变式混合沉积和复合式混合沉积3类[6]。杨永剑等在对塔里木盆地上奥陶统桑塔木组混合沉积研究时,参考了“沉积事件+剖面”的原则来划分混合沉积的类型,即渐变型、突变Ⅰ型、突变Ⅱ型、复合Ⅰ型、复合Ⅱ型5个类型[18]。虽然杨永剑等与董桂玉提出的方案术语[5]类似,但实际含义仍存在不小的差异[18]。本文通过对上述各个方案的剖析,并与研究区内的钻井资料相对比,认为以“沉积事件+剖面结构”为原则的划分方案能更好地反映垂向上的相序变化,因此将研究区内混积层系的成因类型划为4类:渐变型(渐变式混合沉积)、突变型、复合Ⅰ型(复合式混合沉积Ⅰ)、复合Ⅱ型。
(1)渐变型:指由正常沉积形成的,与上下岩石在成分、结构、构造方面为渐变过渡关系,没有突变标志。此类混合沉积往往发育于相邻环境的过渡地带,两边的沉积物会扩散到其中,而形成狭义的混积岩。同时,伴随着海平面的缓慢上升与下降,剖面垂向序列上,陆缘碎屑或碳酸盐岩含量会发生相互消长的现象。此类沉积多发育于混积潮坪和混积局限台地内,开阔台地中较少。如阳深1井,岩性从下向上依次为鲕粒灰岩、灰质白云岩、泥质白云岩、粉砂质白云岩(图3)。
(2)突变型:主要由突发事件所形成,岩性、结构、构造等方面在剖面上表现为突变接触。根据发育的环境不同分为Ⅰ型和Ⅱ型。其中Ⅰ型主要发育于以碎屑沉积为主的相带,如混积潮坪、混积陆棚等。以峨眉张山剖面为例,在将近20m厚的潟湖相绿色页岩中,夹着2m厚的竹叶状灰岩,这代表了一次强烈的风暴沉积(图3)。Ⅱ型主要发育于以碳酸盐岩为主的沉积中,如混积台地、混积台地边缘浅滩。突发事件则主要是指风暴浪、重力流以及短期内的大量物源供给。突变Ⅱ型普遍发育于桐梓组中部,这可能是在此期间,康滇古陆为上扬子地区间断性地提供了大量的陆源碎屑,如阳深2井,可见大套灰绿色白云岩夹2~3m厚的细砂岩(图3)。
(3)复合Ⅰ型(复合式混合沉积Ⅰ):本文所指的复合Ⅰ型并非杨永剑等方案中的复合Ⅰ型[18],而是借用了其方案中的命名术语,目的是为了能与其他成因类型在命名上匹配。四川盆地下奥陶统中,发育更为广泛的其实是董桂玉[5]提出的复合式混合沉积Ⅰ型。其指的是由正常事件形成的一类岩石,且与上下岩石间在成分、结构和构造等表现为突变接触。虽然其剖面结构与突变型较为相似,但并未有突发事件的参与。例如池7井,鲕粒灰岩与泥页岩的互层,且呈突变接触(图3)。尽管一般认为浅滩微相中由于水动力较强,很少含有陆源碎屑物质;但当海平面迅速上升时,碳酸盐岩台地生长速率在短期内无法追赶上海平面的上升导致颗粒灰岩被细粒陆源碎屑物质覆盖,随后海平面的下降重新又沉积颗粒灰岩。彭水剖面同样也具有类似的结构(图3),为泥晶灰岩与泥页岩的互层,属滩间海亚相。通过对钻井资料的统计,此类混合沉积成因类型多见于开阔台地环境中,并主要发育于两河口早期、晚期,以及整个红花园组沉积期。
图3 四川盆地下奥陶统混积层系类型及特征Fig.3 The classification and characteristics of the mixed-sedimentary sequence from Lower Ordovician
(4)复合Ⅱ型:指在一定时期内的强烈构造抬升或其他原因造成海平面急速下降,使得大量的陆源碎屑注入盆地的一种混合。与突变型相比,此类混合在时间跨度上要长,多数发育于靠近陆源的混积潮坪中。如老龙1井发育2套由砂岩向上过渡到砂质白云岩、泥质白云岩的岩相序列(图3),这说明两河口期,盆地西侧可能至少存在2次构造快速抬升,海平面急速下降,大量陆源物质注入盆地,由于离物源较近,沉积环境突变为砂坪;随后随着海平面的缓慢上升,砂坪演化为混合坪。
影响混合沉积的因素很多,也比较复杂,且大多数情况下都是互相影响、共同起作用的[2]。其中最主要的因素包括构造运动、海平面变化、物源、水动力条件和气候条件等[19-21]。
构造运动对于混合沉积来说是最重要的一个因素,不仅控制着物源区和沉积区的分布与状态,进而影响物源的供给量和供给方向,而且直接通过控制盆地类型、地形变化以及间接影响到水动力条件来控制混合沉积的类型。早加里东期,扬子板块西缘因受康滇古陆和龙门山岛链隆升的影响,整个板块呈现西高东低、隆拗相间的构造格局,康滇古陆与天井山古陆成为稳定的陆源区。研究区内洼陷处,由于地形坡度较大,受一些诱发因素的影响,常形成一些重力流沉积,突变型混积层系发育,并且由于地形较低,泥质相对较多;相对隆起处,水体较浅,则形成以碎屑岩或碳酸盐岩为主的岩石序列,渐变型与复合型混积层系则相对发育(图4)。
海平面的变化也是一个很重要的因素,海水的升降一方面直接影响到碳酸盐的产率,另一方面也影响到陆源碎屑的供给范围。研究区下奥陶统经历了2个完整的Ⅲ级海侵—海退变化(图5),桐梓组的中下部构成了Sq1,而其上部与红花园组构成Sq2。Sq1时,海侵体系域中陆源碎屑分布范围较小,仅出现在四川盆地西南部,混积层系主要为渐变型和突变Ⅰ型。而在远离物源区的地方,水体相对较深。当水体突然加深时,碳酸盐产率降低甚至完全停止,其上被一些泥页岩所覆盖;随后水体较浅,再次沉积灰岩:因此大部分混积层系为复合Ⅰ型。早期HST,由于基准面仍处于上升阶段,混合沉积作用与海侵体系域上部相似,是混合沉积最不发育的一个阶段。晚期HST,基准面开始下降,大量的陆源碎屑注入盆地中,混积岩十分发育,垂向上陆源碎屑岩、白云岩以及泥(砂)质白云岩呈互层或夹层产出。相对于Sq1,Sq2属于退积的过程,因此,陆源碎屑注入范围较Sq1时缩小,且混积岩欠发育,盆内大部分地区混积层系都以复合Ⅰ型为主。
图4 四川盆地下奥陶统桐梓组混合沉积模式Fig.4 The mixed sedimentary model of the Lower Ordovician Tongzi Formation in Sichuan Basin
图5 四川盆地下奥陶统层序地层格架Fig.5 The sequence stratigraphic framework of Lower Ordovician in Sichuan Basin
物源对于混合沉积的控制主要表现在物源供给量和物源供给方向上。上文已经提到,早奥陶世,康滇古陆和天井山古陆是上扬子克拉通盆地的陆源区,分别位于四川盆地的西南部和西北部。因此,在平面上,靠近古陆的地区以陆源碎屑沉积为主,然后向东开始出现大量的混积岩;至盆地东部,陆源碎屑影响较小,混积岩减少,甚至消失,以出现碳酸盐岩与泥页岩呈互层或夹层为主的混积层系为特征。陆源供给量影响着混合沉积的发育规模[19],而供给量的大小则受到构造运动、海平面变化以及气候的影响。构造运动具有旋回性,早奥陶世正好处于构造运动的减弱期,再加上早奥陶世总体上是一个水体加深的过程,就造成了从桐梓组至红花园组沉积期陆源碎屑供应量减少的一个趋势。
奥陶纪初期,上扬子地台处于中低纬度较温暖的环境[22],这对于碳酸盐岩的形成非常有利。但桐梓组中发现的冷水型化石表明[21],两河口期偶尔也受到了来自南部高纬度逆时针旋转的冷水流的影响。当高纬度地区的冷水到达低纬度地区后,导致低纬度地区水体温度下降,碳酸盐岩的产率快速下降,甚至停止,这时就以沉积陆源碎屑物质为主;当水温上升时,碳酸盐岩产率再次增高,大量的碳酸盐岩沉积下来。另外,中低纬度降水非常丰富,这为混合沉积的发育提供了条件。
水动力条件往往受海平面、海底地形以及与广海连通状况的影响。当水动力较强时,如台内滩、滩缘带处,往往混合沉积不发育(图4),强大的水动力条件会将一些细粒的沉积物搬运至水体能量较弱的滩间海以及台缘斜坡处。当水动力较弱时,如台内低洼处,海平面快速上升时,或者是滩后潟湖中受浊流、风暴以及碳酸盐岩随水体深度变化等因素的影响,混合沉积会非常发育。
a.四川盆地下奥陶统混合沉积发育,混积特征明显。狭义的混积岩主要分布在川西南、川南西部、川中的广大地区。川南东部、川东大部主要以碳酸盐岩与陆源碎屑岩的互层或夹层混合沉积为主。
b.混合沉积本身非常复杂,下奥陶统混积层系的成因类型主要包括渐变型(渐变式混合沉积)、突变型、复合Ⅰ型(复合式混合沉积Ⅰ)、复合Ⅱ型。
c.混合沉积的发育受多种因素的联合控制,且相互影响。早奥陶世,上扬子地区构造活动较弱,由于海平面的逐渐上升造成物源供给面积的减少,同时偶尔受冷水流的影响,造成桐梓组比红花园组混合沉积更为发育,分布更为广泛。
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